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TW201310011A - 力量感測器及力量感測器之阻值變化量的量測方法 - Google Patents

力量感測器及力量感測器之阻值變化量的量測方法 Download PDF

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Publication number
TW201310011A
TW201310011A TW100129754A TW100129754A TW201310011A TW 201310011 A TW201310011 A TW 201310011A TW 100129754 A TW100129754 A TW 100129754A TW 100129754 A TW100129754 A TW 100129754A TW 201310011 A TW201310011 A TW 201310011A
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TW
Taiwan
Prior art keywords
electrodes
electrode
force sensor
substrate
resistance
Prior art date
Application number
TW100129754A
Other languages
English (en)
Inventor
Chia-Sheng Huang
Yan-Rung Lin
Chang-Ho Liou
Original Assignee
Ind Tech Res Inst
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Ind Tech Res Inst filed Critical Ind Tech Res Inst
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Priority to US13/304,696 priority patent/US20130042702A1/en
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

一種力量感測器及其阻值變化量的量測方法。力量感測器包括第一基板、多個第一電極、第二基板、多個第二電極及壓阻材料層。第一電極配置於第一基板,而第二電極配置於第二基板並朝向第一電極。第二電極彼此電性絕緣,且相鄰的兩個第二電極的部分正投影個別重合於相對應之第一電極上。壓阻材料層位於第一及第二電極之間,且設置於第一及第二電極的至少其中一層之上。

Description

力量感測器及力量感測器之阻值變化量的量測方法
本發明是有關於一種感測器及量測方法,且特別是有關於一種力量感測器及力量感測器之阻值變化量的量測方法。
在傳統的力量感測器設計上,因為兩端的電極或導線是分布於兩層不同平面的基板上,使得感測器的非共平面導線需藉由導電膠(conductive adhesive)或是打端子(pin clamping)的方式,將導線導至同一平面後,與感測器的末端接點共平面,以利量測和使用。
圖1為習知一種使用導電膠的力量感測器的分解示意圖。請參考圖1,力量感測器100的量測方法是將力量感測單元132、142壓合以得到阻值變化量與力量之間的關係。其中,位於下基板120的力量感測單元142是藉由下層導線140連接至感測器末端接點150,而位於上基板110的力量感測單元132藉由上層導線130連接至感測器末端接點134。另外,還需要將位於上基板110的末端接點134利用導電膠與位於下基板120的末端接點160接合,並藉由導線170連接至感測器末端接點180,以達到感測器末端接點之電極共平面。
以上述之利用導電膠達到導線共平面的連接方法來說,會因為基板110或基板120反覆撓曲或過度彎曲,導致導電膠受破壞,進而造成感測器100失效。
圖2為力量感測器與軟性印刷電路板連接器的示意圖。請參考圖2,以打端子達到導線共平面的連接方法來說,市售的力量感測器200的末端端子間距(pitch)為2.54公厘(mm),而市售的軟性印刷電路板210的連接器212的接點間距為0.5公厘,因此力量感測器200的末端接點受限於端子尺寸,無法再有效地縮小以與連接器212接合,所以力量感測器200的可應用範圍受到限縮。
圖3A及圖3B為為習知力量感測器受力後的局部剖面示意圖。請同時參考圖3A及圖3B,由於受力時,力量感測單元132的壓阻材料層132a與力量感測單元142的壓阻材料層142a接觸以產生阻值變化量。所以,當施加於感測器表面110上的力量不均時,力量分布的均勻與否會影響電流路徑,進而影響所量得的阻值變化量。若再加上未選用均勻混合的壓阻材料,所量得的數值誤差將會更大。
由以上理由,如何使力量感測器具有共平面電極或導線結構的設計,有其必要性。
本發明提供一種輸入電極及輸出電極設置在同一平面上的力量感測器。
本發明提供一種與習知不同的力量感測器之阻值變化量的量測方法。
為達上述或其他目的,本發明提出一種力量感測器,包括一第一基板、N個第一電極、一第二基板、N+1個第二電極及一壓阻材料層。第一電極配置於第一基板,其中N為正整數,而第二電極配置於第二基板,且第二電極朝向第一電極,而這些第二電極彼此電性絕緣,且第N個第二電極的部分正投影及第N+1個第二電極的部分正投影重合於相對應之第N個第一電極上。壓阻材料層位於第一電極及第二電極之間,且設置於第一電極及第二電極的至少其中一種上。當力量感測器受力時,第二電極藉由壓阻材料層與相對應之第一電極導通並產生多個子阻值變化量,而力量感測器的總阻值變化量為這些子阻值變化量的總合。
在本發明之力量感測器的一實施例中,上述之第一基板及第二基板各自為可撓性基板或印刷電路板。
在本發明之力量感測器的一實施例中,上述之N為大於1的正整數時,第一電極彼此之間電性絕緣。此外,第N+1個第二電極的正投影不重合於第1個第一電極。
在本發明之力量感測器的一實施例中,上述之第一電極及第二電極是由金屬、導電金屬氧化物、導電高分子或導電碳基板料形成。
在本發明之力量感測器的一實施例中,上述之第一電極及第二電極的形狀是由網印、鍍膜、蝕刻、噴印或轉印的方式形成。
在本發明之力量感測器的一實施例中,上述之壓阻材料層是由網印、噴印或轉印的方式形成。
在本發明之力量感測器的一實施例中,更包括設置於第一基板及第二基板之間的一支撐體,且支撐體與第一電極及第二電極之間可有或可無一間隙。
為達上述或其他目的,本發明另提出一種力量感測器之阻值變化量的量測方法,至少包括下列步驟:提供一力量感測器,其中力量感測器包括N個第一電極、N+1個第二電極及一壓阻材料層,N為正整數,且第N個第二接觸電極的部分正投影及第N+1個第二接觸電極的部分正投影重合於相對應之第N個第一接觸電極上,而壓阻材料層位於第一電極及第二電極之間並設置於第一電極及第二電極的至少其中一種上;按壓力量感測器,其中力量感測器受力之部分的第二電極與相對應之第一電極電性導通,並藉由兩電極之間的壓阻產生多個子阻值變化量;加總子阻值變化量,以獲得力量感測器的阻值變化量,進而可得相對應的總阻值變化量。
在本發明之力量感測器之阻值變化量的量測方法的一實施例中,其中子阻值變化量不完全相同。此外,按壓力量感測器時,設置於第一電極上之壓阻材料層與設置於相對應之第二電極上的壓阻材料層受力而接觸,或壓阻材料層受力而與其正投影之第一電極或第二電極層接觸,且接觸面積越大,其子阻值變化量越大。或者,按壓力量感測器時,壓阻材料層受力而形變,且其形變量越大,其子阻值變化量亦越大。
基於上述,於本發明之力量感測器及應用此力量感測器之阻值變化量的量測方法中,當力量感測器受力而感測迴路形成時,每一個第二電極與相對應接觸的第一電極之間的壓阻材料層會因應接觸面積或形變量而產生子阻值變化量,子阻值變化量雖然會因應接觸面積或形變量而有所不同,但對於總阻值變化量的影響較小。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉實施例,並配合所附圖式做詳細說明如下。
本發明的力量感測器具有共平面電極結構,且在應用時,具有減少習知之力量感測器因為施力不均及壓阻材料未均勻混合而引起的量測誤差之優點。進一步而言,使力量感測器的輸入電極及輸出電極直接設置在同一個基板的同一平面上,可以簡化導線的設置,並可縮小連接導線之接點尺寸和間距。又,本發明之力量感測器的電極設計成多段式結構,例如使設置於上基板的電極的數量為N個,而設置於下基板的電極的數量為N+1個,其中N為正整數,且上基板的電極彼此絕緣而下基板的電極彼此絕緣,但是上基板的電極於下基板上的正投影會與相對應之下基板的電極局部重合。所以,按壓力量感測器時,位於上、下基板的電極會導通以形成迴路,進而可以藉由電極之間的壓阻變化,量測到力量感測器的等效阻值。其中,力量感測器的等效阻值變化量是由各段電極導通後,由其間各段壓阻之子阻值變化量加總而得,而每一個子阻值變化量會因應按壓時,壓阻材料之接觸面積量或體積形變量的不同而有所變化,因此可經由得到較習知之測量方式還精準的子阻值變化量,進而獲得較習知更為準確的力量感測器的等效阻值變化量。以下將詳述力量感測器的結構及如何應用此力量感測器以獲得等效阻值變化量的量測方法。
圖4為本發明一實施例之力量感測器的組裝示意圖、圖5為圖4之力量感測器的分解示意圖,而圖6為沿著圖4之A-A剖面線的剖面示意圖。請同時參考圖4、圖5及圖6,本實施例的力量感測器300包括一第一基板310、一第一電極320、一第二基板330、二第二電極340及一壓阻材料層350。第一電極320配置於第一基板310,而第二電極340配置於第二基板330,且第二電極340朝向第一電極320,而壓阻材料層350位於第一電極320及第二電極340之間,且設置於第一電極320及第二電極340的至少其中一種上。
承上述,本實施例的第一基板310及第二基板330各自為可撓性基板或印刷電路板,而設置於第二基板330上的兩個第二電極340彼此之間電性絕緣,其中為了方便說明,因此將兩個第二電極340分別標示為第二電極340(1)、第二電極340(2)。第二電極340(1)、第二電極340(2)彼此之間電性絕緣是指一同設置在第二基板330之同一表面上的兩個第二電極340(1)、340(2)並未有物理上的接觸,而是完全隔開。
上述的第一電極320及第二電極340的材料可由金屬、導電金屬氧化物、導電高分子及導電碳基板料中選用,且第一電極320及第二電極340是由網印、鍍膜、蝕刻、噴印或轉印的方式形成於相對應的第一基板310及第二基板330上,第一電極320及第二電極340的形狀不拘,可依照實際需求改變。本實施例的第一電極320的形狀為圓形,而第二電極340的形狀為半圓形,且兩個第二電極340排列成圓形。此外,第二基板330上還設置有與第二電極340連接以輸入及輸出電流的導線(未標示)。導線的設置並非本案的重點,此處便不多做說明。
特別的是,當第一基板310與第二基板330重合在一起時,第二電極340(1)的正投影的一部分會重合於相對應的第一電極320上,而另一個第二電極340(2)的正投影的一部分也會重合於相對應的第一電極320上,但第二電極340(1)與第二電極340(2)的正投影並不會互相重合。
另外,本實施例的第一電極320及第二電極340上皆設置有壓阻材料層350,但是在其他未繪示的實施例中,壓阻材料層350可以是僅設置於第一電極320上,或是僅設置於第二電極340上,可依照需求而變更。此外,壓阻材料層350可以是由網印、噴印或轉印的方式形成。
力量感測器300更包括設置於第一基板310及第二基板330之間的一支撐體360,且支撐體360與第一電極320及第二電極340之間可具有一間隙362。在其他未繪示的實施例中,支撐體360可以直接接觸第一電極320及第二電極340,而未有間隙設置於其中。此支撐體360可用以固定第一基板310及第二基板330之間的距離,以防止第一基板310及第二基板330在未受力量前過近,而讓第一電極320與第二電極340經由壓阻材料層350產生導通。此支撐體360可為黏膠或雙面膠,且其可以是用網印、噴印或是轉印的方式形成。
圖7為圖6之力量感測器受力導通後的電路路徑示意圖,而圖8為圖7的等效電路示意圖。請同時參考圖4、圖7及圖8,當力量施加於力量感測器300上時,若力量施加的位置不正確,第一電極320與第二電極340並不會導通以產生迴路。力量施加的錯誤位置可能為施壓於相對應的第一電極320與第二電極340之外的地方,或是力量施加的位置僅位於第二電極340(1)或第二電極340(2)上。
當力量施加於力量感測器300上時,且力量施加的位置正確,第一電極320經由壓阻材料層350同時接觸第二電極340(1)、340(2)以導通並產生迴路,其中第二電極340(1)因為可同時接受外來的電流,並將電流經由第一電極320傳至第二電極340(2),所以第二電極340(1)同時具有輸入電極及輸出電極的功能;第二電極340(2)亦是。此時,第一電極320與第二電極340(1)的電性導通,且其間的壓阻產生子阻值變化量ΔR1;第一電極320與第二電極340(2)的電性導通,且其間的壓阻產生子阻值變化量ΔR2,而力量感測器300的等效阻值變化量ΔR即為ΔR1與ΔR2的總和。因此,藉由上述的第一電極320與第二電極340的設置方式及導通後所形成的迴路,可得下列公式:
ΔR=ΔR1+ΔR2
雖然在理論與期待上希望施加在力量感測器300上的是均勻的力量,以獲得良好的量測結果;但是在實做上,仍是會有非預期的影響造成施力不均。而由上述可知,在本實施例之力量感測器300的第二電極340在結構上採用分段式設計,因此在個別的第二電極340(1)、340(2)與第一電極320導通時,個別量測到的子阻值變化量ΔR1、ΔR2會因應第二電極340(1)、340(2)和相對應之第一電極320之間的壓阻材料層350(第二電極340及第一電極320上皆設置有壓阻材料層350)或壓阻材料層350與第二電極340(1)、340(2)及相對應之第一電極320(取決於壓阻材料層350設置於第二電極340上或第一電極320上)有不同的導通接觸面積而有不同,且導通的接觸面積越大,其子阻值變化量ΔR1或ΔR2越大。或者,壓阻材料層350的體積形變量也會產生子阻值變化量ΔR1或ΔR2。由此可知,子阻值變化量ΔR1、ΔR2會依據導通時的壓阻材料層350與他層(電極層或壓阻材料層)之接觸面積量或本身體積形變量而有所變化,且由於受力後可較精準地接觸,所以電導與力量之間的線性關係較良好,故經由此力量感測器300所量測出來的等效阻值變化量ΔR更為精確。上述的兩種依據接觸面積或體積形變而達成的阻值變化,取決於所選用之壓阻材料。
圖9為本發明又一實施例之力量感測器的分解示意圖,而圖10為圖9之力量感測器組裝後且受力而導通形成迴路的示意圖。請同時參考圖9及圖10,本實施例的第一電極有3個,為了方便說明,因此個別標示為第一電極420(1)、第一電極420(2)、第一電極420(3);相對應地,第二電極共有4個,分別標示為第二電極440(1)、第二電極440(2)、第二電極440(3)、第二電極440(4)。第一電極420(1)、第一電極420(2)、第一電極420(3)及第二電極440(1)、第二電極440(2)、第二電極440(3)、第二電極440(4)的個別形狀為扇形,且分別在第一基板310、第二基板330上排列成圓形。
需特別說明的是,以圖9中的虛線為對稱摺線,例如將第一基板310從圖9的右邊往左邊對摺以使第一基板310重合於第二基板330上時,第二電極440(4)的正投影並不會與第一電極420(3)重合,以避免第二電極440(4)與第一電極420(1)導通,否則第二電極440(1)、第一電極420(1)、第二電極440(2)、第一電極420(2)、第二電極440(3)、第一電極420(3)、第二電極440(4)與第一電極420(1)之間無法形成完整的感測迴路,造成壓力感測器400無法正常工作。
同樣的,施加力量於力量感測器400時,第一電極420(1)、第一電極420(2)、第一電極420(3)分別藉由壓阻材料層350而與第二電極440(1)、第二電極440(2)、第二電極440(3)、第二電極440(4)導通,所以電流從第二電極440(1)依序流經第一電極420(1)、第二電極440(2)、第一電極420(2)、第二電極440(3)、第一電極420(3)至第二電極440(4)而形成一迴路,而可得力量感測器300的等效阻值變化量:ΔR=ΔR1+ΔR2+ΔR3+ΔR4+ΔR5+ΔR6由上述兩個實施例可知,當第一電極有N個的時候,第二電極需為N+1個,其中N為大於1的正整數時,位於同一個基板上的複數個第一電極彼此之間電性絕緣,而位於另一個基板上的複數個第二電極彼此之間亦電性絕緣。
此外,第N+1個第二電極的正投影不重合於第1個第一電極。而力量感測器的總阻值變化量公式如下:
ΔR=ΔR1+ΔR2+......+ΔR2N
圖11A為本發明再一實施例之力量感測器的分解示意圖,而圖11B為圖11A之力量感測器的組裝示意圖。與上述兩個實施例不同的是,本實施例的第一電極及第二電極的形狀為矩形,而結構上的配置方式、量測方法的施作及可以達到的功效皆與上述的實施例相同,所以不再贅述。
綜上所述,本發明之力量感測器將同時兼具輸入電極及輸出電極的第二電極設置在下基板的同一表面上,因此本發明之力量感測器的結構與習知之力量感測器的結構不同。另外,將電極改成多段式設計,所以相互導通時產生的子阻值變化量,會因應相對應電極之間的壓阻材料層與他層(電極層或壓阻材料層)的接觸面積量或本身體積形變量而有所不同,且力量感測器的等效阻值變化量為這些子阻值變化量的加總。所以,應用此力量感測器以量測阻值變化量時,可視為多個小型力量感測器之量測總合,所以較為精準且電導和力量呈現良好的正比線性關係,較不會如習知的單一力量感測器因為力量分布不均而使得所量測出來的阻值變化量有較大的誤差。
雖然本發明已以實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400...力量感測器
110...上基板
120...下基板
132、142...力量感測單元
132a、142a...壓阻材料層
130...上層導線
140...下層導線
150、160、180...末端接點
170...導線
210...軟性印刷電路板
212...連接器
310...第一基板
320、420(1)、420(2)、420(3)...第一電極
330...第二基板
340、340(1)、340(2)、440(1)、440(2)、440(3)、440(4)...第二電極
350...壓阻材料層
360...支撐體
362...間隙
ΔR1、ΔR2...子阻值變化量
圖1為習知一種使用導電膠的力量感測器的分解示意圖。
圖2為力量感測器與軟性印刷電路板連接器的示意圖。
圖3A及圖3B為習知力量感測器受力後的局部剖面示意圖。
圖4為本發明一實施例之力量感測器的組裝示意圖。
圖5為圖4之力量感測器的分解示意圖。
圖6為沿著圖4之A-A剖面線的剖面示意圖。
圖7為圖6之力量感測器受力導通後的電路路徑示意圖。
圖8為圖7的等效電路示意圖。
圖9為本發明又一實施例之力量感測器的分解示意圖。
圖10為圖9之力量感測器組裝後且受力而導通形成迴路的示意圖。
圖11A為本發明再一實施例之力量感測器的分解示意圖。
圖11B為圖11A之力量感測器的組裝示意圖。
310...第一基板
330...第二基板
350...壓阻材料層
360...支撐體
362...間隙
400...力量感測器
420(1)、420(2)、420(3)...第一電極
440(1)、440(2)、440(3)、440(4)...第二電極

Claims (13)

  1. 一種力量感測器,包括:一第一基板;N個第一電極,配置於該第一基板,其中N為正整數;一第二基板;N+1個第二電極,配置於該第二基板,且該些N+1個第二電極朝向該N個第一電極,而該些N+1個第二電極彼此電性絕緣,且第N個第二電極的部分正投影及第N+1個第二電極的部分正投影重合於相對應之第N個第一電極上;一壓阻材料層,位於該N個第一電極及該些N+1個第二電極之間,且設置於該N個第一電極及該些N+1個第二電極的至少其中一種上,當該力量感測器受力時,該些N+1個第二電極藉由該壓阻材料層與相對應之該N個第一電極導通並產生多個子阻值變化量,而該力量感測器的總阻值變化量為該些子阻值變化量的總合。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器,其中該第一基板及該第二基板各自為可撓性基板或印刷電路板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器,其中N為大於1的正整數時,該些第一電極彼此之間電性絕緣。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之力量感測器,其中第N+1個第二電極的正投影不重合於第1個第一電極。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器,其中該N個第一電極及該些N+1個第二電極是由金屬、導電金屬氧化物、導電高分子或導電碳基板料形成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器,其中該N個第一電極及該些N+1個第二電極的形狀是由網印、鍍膜、蝕刻、噴印或轉印的方式形成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器,其中該壓阻材料層是由網印、噴印或轉印的方式形成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之力量感測器,更包括一支撐體,設置於該第一基板及該第二基板之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之力量感測器,其中該支撐體與該N個第一電極及該些N+1個第二電極之間具有一間隙。
  10. 一種力量感測器之阻值變化量的量測方法,包括:提供一力量感測器,其中該力量感測器包括N個第一電極、N+1個第二電極及一壓阻材料層,N為正整數,且第N個第二電極的部分正投影及第N+1個第二電極的部分正投影重合於相對應之第N個第一電極上,其中N為正整數,而該壓阻材料層位於該N個第一電極及該些N+1個第二電極之間並設置於該N個第一電極及該些N+1個第二電極的至少其中一種上;按壓該力量感測器,其中該力量感測器受力之部分的該些第二電極與相對應之該些第一電極電性導通,且該些電極之間的壓阻產生多個子阻值變化量;以及加總該些子阻值變化量,以得該力量感測器的總阻值變化量。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之力量感測器之阻值變化量的量測方法,其中該些子阻值變化量不完全相同。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之力量感測器之阻值變化量的量測方法,按壓該力量感測器時,設置於該第一電極上之該壓阻材料層與設置於相對應之該些第二電極上的該壓阻材料層受力而接觸,或該壓阻材料層受力而與其正投影之該第一電極或該第二電極層接觸,其中接觸面積越大,其子阻值變化量越大。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之力量感測器之阻值變化量的量測方法,按壓該力量感測器時,該壓阻材料層受力而形變,且其自身的形變量越大,其子阻值變化量越大。
TW100129754A 2011-08-19 2011-08-19 力量感測器及力量感測器之阻值變化量的量測方法 TW201310011A (zh)

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